211service.com
Demonstratie van een CO2-recycler
Onderzoekers van Sandia National Laboratories hebben met succes een prototypemachine gedemonstreerd die de energie van de zon gebruikt om water en koolstofdioxide om te zetten in de moleculaire bouwstenen waaruit transportbrandstoffen bestaan. De Zonneschijn naar benzine systeem zou uiteindelijk een praktische manier kunnen zijn om CO₂ van energie- en industriële installaties te recyclen tot benzine, diesel en vliegtuigbrandstof, ervan uitgaande dat het proces minstens twee keer zo efficiënt kan worden als natuurlijke fotosynthese.
Zon naar syngas: Dit prototype, bekend als de CR5, is ontworpen door Sandia-onderzoekers om koolstofdioxide om te zetten in koolmonoxide, of water in waterstof, met behulp van geconcentreerde zonne-energie. De koolmonoxide en waterstof kunnen later worden gecombineerd om syngas te produceren, een bouwsteen voor de meeste transportbrandstoffen. Het eerste werkende prototype, hierboven weergegeven, heeft aangetoond dat het proces werkt, maar er wordt hard gewerkt om het efficiënter te maken.
Tot voor kort werd het systeem alleen in kleine batches in een laboratorium gevalideerd. Dit najaar is met succes een handgebouwde demonstratiemachine getest. Dit is een eerste in zijn soort prototype dat we evalueren, zegt Sandia-onderzoeker Rich Diver, uitvinder van het apparaat.
Op korte termijn zien we dit als een alternatief voor sekwestratie, zegt James Miller, een chemisch ingenieur met Sandia's laboratorium voor geavanceerde materialen . In plaats van CO2 gewoon ondergronds te pompen voor permanente opslag, zegt Miller, kan de overvloedige energie van de zon worden gebruikt om omgekeerde verbranding te bereiken die in wezen koolstofdioxide weer in een brandstof verandert. Het is een productief gebruik van CO2 die je zou kunnen opvangen uit een kolencentrale, een brouwerij en soortgelijke geconcentreerde bronnen.
De cilindrische metalen machine, de Counter-Rotating-Ring Receiver Reactor Recuperator (CR5) genoemd, vertrouwt op geconcentreerde zonnewarmte om een thermochemische reactie op gang te brengen in een ijzerrijk composietmateriaal. Het materiaal is ontworpen om een zuurstofmolecuul af te staan wanneer het wordt blootgesteld aan extreme hitte, en vervolgens een zuurstofmolecuul terug te halen zodra het afkoelt.
De machine is ontworpen met een kamer aan elke kant. De ene kant is heet, de andere kant koel. Door het midden loopt een set van 14 frisbee-achtige ringen die met één omwenteling per minuut roteren. De buitenrand van elke ring bestaat uit een ijzeroxidecomposiet ondersteund door een zirkoniummatrix. Wetenschappers gebruiken een zonneconcentrator om de binnenkant van één kamer te verwarmen tot 1.500 ºC, waardoor het ijzeroxide aan één kant van de ring zuurstofmoleculen afstaat. Terwijl de aangedane zijde van de ring naar de tegenoverliggende kamer draait, begint deze af te koelen en wordt kooldioxide naar binnen gepompt. Door deze koeling kan het ijzeroxide zuurstofmoleculen uit de CO₂ stelen, waarbij koolmonoxide achterblijft. Het proces wordt voortdurend herhaald, waardoor een inkomende toevoer van CO2 verandert in een uitgaande stroom koolmonoxide.
Miller zegt dat hetzelfde proces kan worden gebruikt om waterstof te produceren, met als enige verschil dat water, in plaats van koolstofdioxide, in de tweede kamer wordt gepompt. De twee afzonderlijk teruggewonnen gassen - waterstof en koolmonoxide - worden vervolgens met elkaar gemengd om syngas te maken, dat kan worden gebruikt als vervanging voor traditionele brandstoffen, zegt Miller.
Diver heeft de machine oorspronkelijk ontworpen met de waterstofeconomie in gedachten. Het idee was om de inefficiëntie van elektrolyse te vermijden en in plaats daarvan een zonnewarmtemotor te bouwen die direct waterstof en zuurstof kan produceren, waardoor elektriciteit als tussenpersoon wordt uitgeschakeld. Het is een benadering die ook wordt gevolgd door onderzoekers in Japan, Frankrijk en Duitsland.
Maar het Sandia-team realiseerde zich al snel dat hetzelfde proces CO2 in koolmonoxide zou kunnen veranderen. Zelfs als de waterstofeconomie niet van de grond kwam, hadden ze nog steeds een manier om de brandstoffen waar we tegenwoordig van afhankelijk zijn te maken op een manier die de impact van het verbranden van steenkool en aardgas voor elektriciteit en andere industriële processen beperkt.
Diver zegt dat de uitdaging nu is om de efficiëntie van het systeem te verbeteren. Als het Sandia-team een hogere efficiëntie kan aantonen, kan dit een belangrijke stap voorwaarts zijn, zei Vladimir Krstic , directeur van het Center for Manufacturing of Advanced Ceramics and Nanomaterials aan de Queen's University in Kingston, Ontario.
Wetenschappers schatten dat het 15 tot 20 jaar zal duren voordat de technologie marktrijp is. In de tussentijd is het doel om elke drie jaar een prototype van de nieuwe generatie te ontwikkelen dat een toename van de conversie-efficiëntie van zonne-energie naar brandstof en een daling van de kosten laat zien. Een deel daarvan zal komen van de ontwikkeling van nieuwe keramische composieten die zuurstofmoleculen vrijgeven bij lagere temperaturen, waardoor meer van de zonne-energie kan worden omgezet in waterstof of koolmonoxide.
Ons doel op korte termijn is om dit tot een paar procent efficiëntie te brengen, zegt Miller. Het lijkt misschien een laag aantal, maar we vergelijken dat graag met fotosynthese, wat eigenlijk een zeer inefficiënte manier is om zonlicht te gebruiken.
Hij zegt dat de theoretische maximale efficiëntie voor fotosynthese ongeveer 5 procent is, maar in de echte wereld de neiging heeft om te dalen tot ongeveer 1 procent. Dus we beginnen misschien heel laag, maar we willen het graag in de context houden van wat we moeten verslaan. Uiteindelijk zijn we van mening dat we in het bereik van 10 procent zonlicht-naar-brandstof moeten komen, en we zijn nog lang niet zover.